下一代CAN通信技术CAN XL简介

来源:公众号“汽车电子与软件”
2021-07-15
1479
众所周知,CAN网络具有易于实现、可扩展、并支持复杂拓扑结构等诸多优点,所以目前在各个行业特别是汽车领域,得到了非常广泛的应用。但是,它也存在着诸多问题,其中最大的一点就是总线带宽和数据场长度太低,导致承载能力非常有限。为此,CiA(CAN-in-Automation,国际用户与制造商联合组织)推出了CAN FD(CAN with Flexible Data rate)。CAN FD继承了CAN总线的主要特性,但是弥补了CAN总线带宽和数据场长度的制约,CAN FD总线与CAN总线的区别主要在以下两个方面:


可变速率:

CAN FD采用了两种位速率:从控制场中的BRS位到ACK场之前(含CRC分界符)为可变速率,其余部分为原CAN总线用的速率。两种速率各有一套位时间定义寄存器,它们除了采用不同的位时间单位TQ外,位时间各段的分配比例也可不同。

新的数据场长度:

CAN FD对数据场的长度作了很大的扩充,DLC最大支持64个字节,在DLC小于等于8时与原CAN总线是一样的,大于8时有一个非线性的增长,所以最大的数据场长度可达64字节。

CAN FD引入了更快的比特率,在数据阶段可设置为高达5 Mbit/s,但其后果是由于信号振铃而受到严格的拓扑结构限制。这就使CAN FD局限于线性网络,限制了设计的自由度,增加了布线和系统成本。所以,在2020年的第17届国际CAN大会(iCC)上,CiA又推出了第三代CAN通信技术CAN XL。

一、什么是CAN XL

CAN XL是一种高度可扩展的通信技术,涉及比特率和数据字段的长度。物理层仍在开发中。目标是实现高达10+ Mbit / s的比特率。CAN XL针对面向区域的异构网络体系结构进行了优化。该方法以最优的长度满足未来车载网络的要求。汽车工业试图减少布线,以最小化重量,或者换句话说,是限制能耗。它的几个核心期望特性如下:

  • 有效负载长度:与以太网帧长度一样;

  • 可靠性:等于或者优于CAN,CAN FD和10Mbit/s以太网的稳定性;

  • 鲁棒性:与CAN FD一样好,甚至要优于10Mbit/s以太网;

  • 波特率:在数据段的传输速率最大可达10Mbit/s;

  • 兼容性:向后兼容CAN FD。

CAN XL是对CAN和CAN FD的进一步扩展,并且在很大程度上遵循相同的运行原理。CAN报文分为仲裁场和数据场。尽管CAN XL在仲裁场使用500kbit/s至1Mbit/s的低速率,但数据场的传输速率却可提升至2Mbit/s至10Mbit/s。相对于CAN FD的可选速率切换功能,CAN XL强制执行速率切换。

此外,总线访问仍旧采用CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突解决方案),通过位仲裁解决总线访问权限问题。CAN XL遵循严格的优先级概念,允许更重要的消息无延迟地传输。CAN XL仅支持11位标识符ID,不再使用29位标识符ID。CAN XL凭借用于报头和帧以及格式检查的汉明距离6算法,确保数据传输的高可靠性,实际上胜过FlexRay和以太网的CRC功能。

然而,对于未来的应用而言重要的不仅仅是提高数据传输速率。CAN XL主要功能之一是数据场支持1~2048Byte的可变长度。在必要时,可将以太网帧打包为CAN XL消息,直接或间接通过CAN XL使用IP通信技术。

CAN XL传承自经典的CAN和CAN FD,并缩小了CAN/CAN FD与Ethernet之间的传输速度和耦合的差距。在合适的应用领域中,CAN XL可以采用更小巧更便宜的控制器。利用高达2048Byte的有效数据长度,CAN XL为将来传输以太网帧和利用IP通信提供所需的功能。在不久的将来,这意味着CAN XL和10base-T1S可以共同在基于信号的通信和面向服务的通信之间提供连接。通过对协议层进行适当的扩展,将为应用提供更丰富的可能性。

图片

二、CAN XL Vs CAN FD

不少同学会问,那么CAN XL与CAN FD究竟差在什么地方呢?下面就进行详细的对比。

图片

与CAN FD相比,CAN XL增加了位的数量;
这些附加位位于报文头与报文末尾处;
大多数的所需位是CRC,必须增加它才能保护超出的更多的字节。

1、报头部分

图片

上图中顶部的黑线表示隐性,底部的黑线表示显性。那么我们分析上图可得出以下结论:

  • SOF和11位的CAN ID场在CAN、CAN FD、CAN XL中是通用的;

  • CAN FD和CAN XL始终不支持RTR远程请求;

  • CAN XL不支持IDE标识符扩展(29位CAN ID),该位始终处于显性;

  • 隐性FDF位指示CAN FD,隐性FDF、XLF位指示CAN XL;

  • CAN FD中res位始终处于显性,隐性BRS位(波特率切换)会提升传输速率;

  • CAN FD中ESI位通常处于显性,但处于被动错误时会变为隐性;

  • CAN XL中resXL位是隐性的,可用于将来的扩展;

  • CAN XL中AL1、DH1和DL1作为新的波特率切换序列;

  • CAN XL中Payload 8-bit用于不同数据包的预定义多路复用位;

  • CAN XL中DLC是一个11位整数,其中数据字节数是该整数加1;

  • CAN XL中Header-CRC用于保证DLC正确,DLC定义数据CRC从何处开始。

2、报尾部分

图片

  • 对于相同的数据长度,CAN XL中较长的报头可能需要较长的CRC;

  • CAN XL包含用于波特率切换位,确保向前的兼容性;

  • CAN XL CRC之后是波特率的切换模式,而不是CRC定界符;

  • 为了确保重新同步到未来格式的帧末尾,集成格式:将CAN XL中放置NACK添加到旧ACK中。

CAN XL每个CAN帧中有更多的数据:1-2048字节,并且在数据部分增加了波特率,具有更好的故障保护措施,可为下一代CAN做更好的准备。

三、Q&A

1、CAN XL现在有对应的收发器和控制器么?

答:目前因为CAN XL的标准还没有正式出来,CAN XL的收发器和控制器估计会在2到3年内推出

2、CAN XL传输还是用普通的双绞线么?一条总线上可以和CAN,CANFd节点共存么?

答:关于传输的线缆,目前CiA还在进一步确认中,因为线缆其实也是非常重要的一环,会采取更谨慎和有保证的方案。

关于CAN 和CAN FD与CAN XL的节点共存问题,其实三者理论上都可以在同一个网络中,不过前提是都要支持新的MICI接口规定,即medium-independent CAN interface,介质无关CAN接口。



收藏
点赞
2000